在偶尔的闲置模式下运行的超导磁体的制作方法

本申请要求于2013年4月18日提交的标题为“在偶尔的闲置模式下运行的超导磁体”的美国临时专利申请61/813,442的申请日的权益，在此根据35U.S.C.§119(e)要求此临时专利申请的申请日。

技术领域

本申请总体上涉及磁体。更确切地，本申请涉及在操作超导磁体时的节能方法。

附图说明

在与以下说明结合考虑时，出于便利于理解寻求保护的主题的目的，呈现以下附图。

图1示出了在液氦池中的超导磁体的示意图。

图2示出了无冷冻剂超导磁体的示意图。

具体实施方式

虽然本披露是参照在此描述的若干展示性实施例来描述的，但应该清楚的是，本披露不应限于这类实施例。因此，在此提供的这些实施例的说明和对磁共振成像(MRI)系统的参考是利用超导磁体的系统的实例，并且仅展示了本披露，并且不应限制本披露所要求保护的范围。本领域技术人员将理解的是，所披露的方法可应用于使用超导磁体的许多其他系统。

简要而言，披露了一种方法和一种系统，该方法和该系统用于通过使磁体放电并且将其温度保持在磁体的临界温度与环境温度之间来在超导磁体未使用时保持许多超导磁体适当冷来节能。传统上，即便超导磁体系统暂时(无论一个周末或一个月)未被激活使用，也不允许“冷物质”(被限定为以低于线圈的临界温度来运行的线圈和结构部件)上升高于超导磁体系统的超导线圈的临界温度。

MRI扫描仪用于生物医学研究以及对人类疾病和障碍的诊断。由MRI扫描仪进行成像需要在特定体积上的非常均匀、恒定且稳定的磁场。常规地，这种磁场(通常被称为B₀场)是通过永磁体或超导磁体产生的。对于人类应用，使用永磁体的MRI装置通常产生小于0.5T的B₀磁场，并且对于在动物方面的研究，其产生的磁场小于1.5T。对于较高分辨率的成像，超导磁体需要产生更高的磁场。超导B₀磁体使用的线圈必须维持在低于超导线圈的临界温度的低温温度下。常规地，为了实现这种目的，超导MRI磁体的线圈在将线圈保持为约4.2K的接近1大气压下在沸腾液氦池/浴中运行。典型地，液氦填充了氦容器的一部分，并且其余部分是允许通风至环境大气的氦蒸气。

如在图1中示出的，氦容器被辐射屏蔽物围绕，并且氦容器和围绕的辐射屏蔽物两者均放置在外部容器内部。外部容器包括一定的真空空间。容器、辐射屏蔽物、液氦容器、和某些其他部分被称为“低温恒温器”。低温恒温器将通向氦容器的热传递减小并使之最小化。但是不可避免地，存在通过以下各项而通向氦容器并且最终通向液氦浴的热传递：1)通过低温恒温器、辐射屏蔽物、和氦容器的结构构件的传导；2)辐射；以及3)在真空空间中的剩余部分压力。

传递至液氦浴的热量自然将液氦保持为沸腾状态并因此持续产生通风至大气的氦蒸气。在某些超导磁体(所谓的零蒸发系统)中，所蒸发的氦气被低温冷却器重新冷凝成液氦并且返回至液氦浴。与其名称(零蒸发)相反，重新冷凝不是100％的，而是有一些氦蒸气通风至大气。在线圈被放置在液氦浴中的超导磁体中，无论磁体是否具有零蒸发类型，液氦的温度基本上是恒定的，因为液氦浴处于其沸点，并且仅当所有或多数液氦蒸发时才可能改变温度。对于使用液氦的超导磁体，低温恒温器的目标是将液氦以通向大气的最少损耗来维持在其容器中。

不存在具有在相当高出沸腾液氦的温度的任何温度下的线圈的动机。因为如果温度升高，将没有液氦保留在容器中，并且超导线圈将需要放电或被允许淬火。在这种情况下，为了返回到运行条件，人们需要用液氦重新填充氦容器，这需要相当大的努力。同样，因为在常规MRI系统中的超导磁体运行在持久模式下并且保持充电，因此在任何时候对其放电没有益处的。MRI超导磁体仅被放电来服务磁体。这些磁体的充电和放电需要大量时间和努力并通常尽可能长时间的避免。

为了实现恒定的磁场，MRI系统的超导磁体运行在所谓的持久模式下，其中电流通过被多个超导接头串联连接的一组超导线圈来循环以形成超导环路。此外，为了达到持久模式，该组线圈需要具有持久开关。例如在《超导磁体》(M.N.威尔逊，牛津大学出版社，纽约，纽约(1983))第十一章中描述了持久模式运行的原理。

存在以直流(DC)模式运行的许多其他超导磁体，例如在核磁共振(NMR)光谱学或粒子加速器中使用的那些超导磁体，这些超导磁体优选地运行在持久模式下。

总之，常规的超导磁体(例如MRI超导磁体)通过其在液氦池中的多个线圈来保持充电。再次，不存在增加线圈的温度和对这些系统进行放电的动机，因为对于增加这些线圈的温度和对这些磁体进行放电存在显著的不利后果。即使在零蒸发系统中，也不存在减慢低温冷却器的动机，因为这么做将增加氦蒸气通风穿过低温恒温器的速度。并且如果限制通风，则在氦容器内的压力将增加并且将具有严重的后果。因此，习惯上，这种系统的使用者保留其系统开启，即使在其系统保持闲置时。

对以上讨论的液氦冷却超导磁体的种类的替代方案是无冷冻剂(CF)超导磁体的种类。CF超导磁体通过一个或多个两级低温冷却器(也被称为低温制冷机)，该一个或多个两级低温冷却器与磁体系统的多个选择部分产生物理接触并且通过传导提取热量。这种冷却方法通常被称为无冷冻剂冷却或传导冷却。由两级低温冷却器提供的冷却(移除热量)的量对于第一级可以是几十瓦特，从而例如达到30°开氏温度至60°开氏温度的温度，并且对于第二级可以是几瓦特，从而例如达到3°开氏温度至10°开氏温度。如果要维持所希望的温度，从环境传递至超导磁体的热量(也被称为热量泄漏)的量应该减少或低于低温冷却器的冷却容量。典型地，CF超导磁体包括若干部分，包括真空容器、辐射屏蔽物、机械支撑结构、电连接、各种传感器、阀门、以及由超导线制成的线圈。图2示出了无冷冻剂超导磁体的示意图。

为了使超导磁体适当运行并且产生所需要的磁场，由超导线制成的线圈(超导线圈)、结构、将这些线圈保持在一起的连接的温度需要保持低于超导线圈的临界温度。与液氦冷却的超导磁体类似，在CF超导磁体中，这些超导线圈、结构、和将这些线圈保持在一起的连接可以被称为“冷物质”。对冷物质的对流热传递是通过去除可能围绕冷物质的气体(例如空气)来减小的。可以通过将冷物质容纳在真空腔室之内来去除空气。辐射热传递是通过将冷物质容纳在辐射屏蔽物之内来减小的，该辐射屏蔽物进而被容纳在该真空腔室中。辐射屏蔽物被低温冷却器的第一级冷却至例如30°开氏温度至60°开氏温度的温度，并且通常在面朝真空腔室的侧面上被若干个反射隔离层(通常被称为“超级隔离”)覆盖。将传导冷却的系统与液氦冷却系统区分的事实是，传导冷却系统的冷物质和因此的其超导线圈在真空中运行，并且可以允许传导冷却的系统的线圈的温度增加而不具有与处理液氦或氦蒸气相关联的不利后果。

根据在此申请中披露的方法，CF超导磁体(例如在MRI系统中的那些CF超导磁体)即使当其未被使用时也不需要保持在给定温度下或者保持充电。为了达到“闲置模式”，这些磁体被放电，并且通过使低温冷却器在较低的冷却容量下工作或甚至停止一段时间而允许增加其冷物质的温度，这进而节省了否则将被低温冷却器使用的一些能量。

为了准备根据本发明的闲置模式，超导磁体通过将其存储的能量传递至磁体之外的热交换器并且通过使低温冷却器在较低的冷却容量下运转来进行放电。在所披露的闲置模式中，线圈的温度虽然高于超导临界温度，但不允许上升高至室温。然而，在这个过程中，磁体系统的第一级和第二级的温度达到更高的值。例如，第一级部分(例如辐射屏蔽物)的温度可能增加10°开氏温度至30°开氏温度，并且第二级部分(例如线圈)的温度也可能增加10°开氏温度至40°开氏温度。在所披露的闲置模式中，低温冷却器功率消耗将显著低于其在超导模式下的功率消耗。

根据这个披露，当磁体在很长时间段(例如几天或几个星期)未被使用时，MRI磁体被转变至闲置模式。在预期再次使用磁体时，冷却系统从闲置模式转变成完全冷却模式，其中磁体冷却至超导状态并且被再次充电。可以在几小时内将第一级和第二级再次冷却10°开氏温度至40°开氏温度，而不是将磁体从室温冷却下来所需的几天。与将磁体保持在超导状态下相比，所披露的闲置模式的关键优点之一是节省了大量的能量，这些能量在未激活时间间隔期间实际上将被浪费。如之前所提及的，所披露的闲置方法还可以应用于在核磁共振(NMR)光谱学应用中使用的持久模式超导磁体。这种方法还可以应用于所谓的被动超导磁体，其中该超导磁体的线圈连接至电流电源，该电流电源对这些线圈进行充电并使其保持充电。

本领域技术人员将认识到，可以采用许多已知的器件和方法来控制冷物质的温度并且可以在闲置模式过程中将冷物质保持在室温与低温温度之间的任何所希望的温度下。例如，可以在所披露的超导磁体系统中包括可编程或预编程的闲置开关，该闲置开关可以开启以开始将低温冷却器的第一级和第二级的冷却容量降低并且将冷物质保持在程序设定的温度下，并且该闲置开关可以关闭以将冷物质冷却至所希望的低温温度。预编程的闲置开关可以使用软件或是硬件实现的。在另一个实例中，系统的使用者可以使用控制机构基于所计划的闲置时间来手动设定冷物质增加的第一级温度和第二级温度。在又另一个实例中，可以基于列表的能量节省使用校准的控制部件(例如按钮、转盘、或滑动开关)来设定闲置模式温度。

本领域技术人员将认识到，传导冷却的超导磁体系统的冷物质可以包括增加冷物质的热容量的多个材料模块，从而在冷却系统的中断期间，冷物质的温度升高得比如果不这样做更慢。这些模块可以包括金属、聚合物、和陶瓷。同样，这些模块可以包括包含气体(例如，氖、氮、或氦)的气密容器。

明显的是，对于低温冷却器的第一级和第二级的闲置温度越高，则节省越多的能量；然而将需要更多的时间来将系统重新冷却回超导和因此的运行模式(启动时间)。因此，能够转变至闲置模式的CF超导磁体的总体运行可以使得优化能量节省和磁体系统的启动时间。例如，如果该系统要处于闲置模式仅一个周末，则磁体系统的第一级和第二级可以分别设定成在20K和50K处闲置，但是如果该系统要闲置一周或一周以上，则磁体系统的第一级和第二级可以设定成在40K和60K处闲置。在前者的情况下，重新冷却时间或启动时间比后者的情况下更短，但是额外的能量节省可以证明后者情况的额外冷却时间是合算的。在对闲置温度进行控制和/或编程的各种方法中，CF超导磁体的使用者可以决定用于闲置模式的最优参数是什么。

可以根据上述的详细说明对要求保护的本发明做出修改。虽然以上说明详细描述了本发明的特定实施例并描述了所考虑的最佳模式，但是，无论在本文中给出得多么详细，要求保护的本发明都可以通过许多方式来实践。该系统的细节可以在其实施细节方面显著改变，而仍然由在此披露的要求保护的发明所涵盖。

在对本发明的某些特征或方面进行说明时所使用的特定术语不应意味着该术语在此被重新定义成局限于与该术语相关联的本发明的任何特定特性、特征或方面。总体上，在以下权利要求中使用的术语不应被解释为将要求保护的本发明限制成该说明书中所披露的具体实施例，除非上述的详细说明部分明确定义了这类术语。因此，要求保护的本发明的实际范围不仅涵盖了所披露的实施例、还涵盖了实践或实现本发明的所有等效方式。

以上说明、实例、以及数据提供了对生产和使用本发明的构成物的完整描述。因为本发明可以产生许多实施例而不脱离本发明的精神和范围，本发明在于以下所附的权利要求书。进一步理解的是，本披露不限于所披露的实施例，而旨在覆盖包含在最广泛解释的精神和范围内的各种安排，从而涵盖所有这种修改和等效安排。本领域技术人员还将理解的是，在各种实施例中可以采用多个单级冷却器和/或多个冷却器来实现在本披露中讨论的相同结果。

本领域技术人员将明白，一般来说，在此且尤其在所附权利要求书(例如，所附权利要求书的主体)中使用的术语总体上意图作为“开放式”术语(例如术语“包括”应该被理解为“包括但是不限于”、术语“具有”应该被理解为“至少具有”、术语“包括”应该被理解为“包括但不限于”等)。本领域的技术人员将进一步理解，如果一个所介绍的权利要求叙述的特定数字是既定的，那么将在该权利要求中明确地叙述此意图，并且在不存在此叙述的情况下，不存在此意图。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求书可能含有介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用来介绍权利要求陈述。然而，这些短语的使用不应当解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”介绍的权利要求陈述将包含这样介绍的权利要求陈述的任意具体权利要求限制为只包含一个此类陈述的发明，甚至当相同的权利要求包含该介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”及不定冠词例如“一个”或“一种”(例如，“一个”和/或“一种”应该通常解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)时；这同样对于用来介绍权利要求陈述的定冠词的使用有效。另外，即使明确地陈述了一个所介绍的权利要求陈述的特定数目，本领域技术人员会意识到此陈述通常应当解释为意指至少该陈述的数目(例如，没有其他修饰的“两个陈述”的直接陈述通常意味着至少两个陈述，或两个或两个以上的陈述)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一项”的惯例的那些情况下，通常，这种构造旨在本领域的普通技术人员应当理解该惯例的意义上(例如，“一个系统具有A、B和C中的至少一项”将包括但是不限于系统单独具有A、单独具有B、单独具有C、A与B一起、A与C一起、B与C一起和/或A、B和C三者一起，等等)。本领域的普通技术人员将进一步理解的是无论是在说明书、权利要求书还是附图中，呈现两个或更多个替代性术语的几乎任何分隔性词语和/或短语都应当理解为考虑到了包括这些术语中的一者、这些术语中的任一者或这两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

虽然已经与被认为是最实际和最优选的实施例结合来描述了本披露，应理解的是，这个披露不限于所披露的实施例，而旨在覆盖包含在最广泛解释的精神和范围内的各种安排，从而涵盖所有这种修改和等效安排。